Druckrohre aus PE für alternative Verlegetechniken nach PAS 1075

Aktueller Stand und Perspektiven:
Druckrohre aus PE für alternative Verlegetechniken nach PAS 1075
- Eigenschaften, Anforderungen und Prüfverfahren –
Dr.-Ing. Joachim Hessel, HESSEL Ingenieurtechnik GmbH, Roetgen
1. Einleitung
Die Zeitstandfestigkeit von derzeit neun Polyethylen-Rohstoffen hat einen
Entwicklungsstand erreicht, der ein Versagen innerhalb der vorgesehenen
Betriebsdauer auch bei Druckrohren unter zusätzlicher äußerer Punktlast, wie sie
bei alternativ verlegten Rohren (z. B. ohne Sandeinbettung) berücksichtigt
werden muss, ausschließt.
Notwendige Voraussetzung ist ein Mindestniveau der Spannungsrissun-
empfindlichkeit der betreffenden PE-Rohstoffe, wie es in der PAS 1075 festgelegt
ist, so dass punkt- oder linienförmige Lasten, die zusätzlich zu den planmäßigen
Betriebslasten wie z.B. Innendruck, Erd- oder Verkehrslasten wirken, über den
vorgesehenen Betriebszeitraum ertragen werden können.
Da sich der Bruchausgang bei von außen punktbelasteten Rohren immer an der
Rohrinnenseite befindet und durch langsamen Rissfortschritt bis zur
Rohraußenseite fortsetzt, ist für das Bruchverhalten der Widerstand des
Polyethylens gegenüber langsamem Rissfortschritt maßgebend.
2. Gemeinschaftsversuch der Industrie führt zur PAS 1075
In einem breiten Untersuchungsprogramm seit 1998 wurden Rohre 110 x 10 mm
(SDR 11) aus Polyethylen der Festigkeitsklassen PE 63, PE 80, PE 100 nach
DIN 8075 sowie PE 100-RC [1] geprüft.
Darüber hinaus wurden weitere Punktlastversuche an SDR 11 bzw. SDR 17-
Rohren aus PE 100-RC mit Außendurchmessern von 32 mm, 63 mm, 90 mm,
110 mm, 250 mm und 400 mm durchgeführt.
Im Hinblick auf die Erfassung der in der Praxis zu erwartenden maximalen
Spannungskonzentration durch äußere Punktlast wird die Dehnung bei
Streckspannung an der Randfaser der inneren Rohrwand herangezogen.
Hieraus wird die Größe der äußeren Punktlast im Versuch abgeleitet.
Das Erreichen der Streckspannung stellt die maximal vom Werkstoff ertragbare
Belastung dar und umfasst damit alle in der Praxis vorstellbaren kraft- bzw.
weggesteuerten Punktlasten auf Rohre.
Die Randfaserdehnung an der inneren Rohrwand über die Streckspannung
hinaus wird durch radiales Eindrücken von Stempeln auf die äußere Rohrwand
erzeugt.
1

Die Ergebnisse der derzeit abgeschlossenen Versuchsreihen an Rohren mit
zusätzlicher äußerer Punktlast und die entsprechenden Proben im FNCT sind im
Bild 1 zusammengefasst.
Standzeit Rohr mit Punktlast (h)
8.760
5.000
2.000
1.000
500
200
100
50
20
10
3
Prüfmedium: 2 % Arkopal N-100
Prüftemperatur: 80 °C
5
10
30
50
Mindestkurve
100
300
500
Standzeit FNCT (h)
Bild 1: Korrelation zwischen FNCT und Punktlastversuchen
Das Muster aus PE 63 zeigt erwartungsgemäß die kürzesten Zeiten, sowohl im
FNCT als auch an den Rohren unter zusätzlicher äußerer Punktlast. Die
Standzeiten in beiden Versuchsarten steigen in der Folge PE 63 – PE 80 –
PE 100 – PE 100-RC. Die Ergebnisse der Prüfserien mit PE 100-RC liegen alle
im Bereich der Wärmealterung (grau schattierte Bereiche im Bild 1).
Der aktuelle Stand der Versuchsergebnisse ist in der PAS 1075 wiedergegeben.
3. Allgemeines zu Prüfverfahren und Prüflaboratorien in der PAS 1075
Die zur Qualitätssicherung alternativ verlegbarer PE-Rohre eingesetzten
Prüfverfahren sind: FNCT, Punktlastversuch und Wärmealterungsversuch. Zur
Verkürzung der Prüfzeiten dürfen auch beschleunigte Prüfverfahren (z. B. ACT)
eingesetzt werden.
Anmerkung:
Da Standzeiten über 8760 Stunden den Bereich der Wärmealterung von
Polyethylen bei 80 °C betreffen, sind extrapolierte (aus beschleunigten
Prüfverfahren erhaltene) Zeiten > 8760 Stunden nicht zulässig.
Die Prüfverfahren müssen hinsichtlich ihrer Präzision und Genauigkeit
kontinuierlich validiert werden.
Ein wesentlicher Bestandteil der Validierung von Langzeitprüfverfahren zur
Charakterisierung des Spannungsrissverhaltens ist die Prüfung von
Referenzproben.
1.000
2.000
3.300
5.000
8.760
2

Die Prüflaboratorien für Prüfungen gemäß dieser PAS müssen über einen
Erfahrungszeitraum von mindestens 3 Jahren bei den eingesetzten Prüfverfahren
verfügen und für sämtliche Prüfverfahren nach DIN EN ISO 17025:2005
akkreditiert sein.
4. Prüfungen (Zulassung, Qualitätssicherung) in der PAS 1075
Es wird zwischen Zulassungsprüfungen und produktionsüberwachenden
Prüfungen unterschieden. Des Weiteren wird zwischen Werkstoffprüfungen und
Bauteil (Rohr-)prüfungen unterschieden.
Bei den Zulassungsprüfungen für den Werkstoff (Granulat) werden z. T. höhere
Anforderungen gestellt, um Einflüsse aus z. B. Verarbeitung und konstruktiver
Gestaltung abzusichern.
4.1 Zulassungsprüfung „Werkstoff“
Die durchzuführenden Prüfungen für die Erstzulassung eines PE 100-RC-
Werkstoffes sind in der PAS 1031 sowie Tabellen 1a bzw. 1b aufgeführt.
Lfd.
Nr.
1
2
Prüfung Anforderung Bemerkung
Spannungsrissprüfung *)
des Rohstoffs
Punktlastversuch *) am
Vollwandrohr
>8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal
N-100
8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal
N-100
3 Wärmealterungsversuch >100 Jahre bei 20 °C
4
Kerbprüfung am
Vollwandrohr
(DIN EN ISO 13479)
>8760 Stunden
FNCT an 6 Einzelproben
(Orientierungsfreies
Verarbeitungsverfahren)
3 Einzelproben z. B. bei 80 °C
bzw. Einzelproben verteilt gemäß
mathematischem Modell (z. B.
Arrhenius)
Prüfung bei erhöhter Temperatur
und Nachweis einer
Mindestaktivierungsenergie
Wahlweise auch an definierter
Rohrkonstruktion möglich.
Tabelle 1a: Spezielle, ergänzende Zulassungsprüfungen für den Werkstoff PE 100-RC zum
Nachweis der Spannungsrissbeständigkeit und der Beständigkeit gegen
thermische Alterung
*) Werden im FNCT bzw. im Punktlastversuch widersprüchliche Ergebnisse erhalten, so
sind die Ergebnisse des Punktlastversuchs für die Bewertung der alternativen
Verlegbarkeit maßgebend.
Anmerkung:
Bei der Prüfung des Spannungsrissverhaltens gemäß Tabelle 1a Lfd. Nr. 1,
Tabelle 2, Lfd. Nr. 1 bzw. Tabelle 3, Lfd. Nr. 1 dürfen keine Sprödbrüche vor
Erreichen der Anforderungszeit auftreten. Kommt es vor Erreichen der
Anforderungen zu Duktilbrüchen, müssen nach ISO 16770 die Prüfparameter
derart angepasst werden, dass Sprödbrüche erzeugt werden [2].
3

Die angepassten Parameter bei der Prüfung des Spannungsrissverhaltens
müssen mit den Ergebnissen im Punktlastversuch an mindestens 3
Produktionschargen abgesichert werden.
Der aus der Anforderungszeit bei der Spannungsrissprüfung des Rohstoffes
(Anforderung: 8760 h) und der Prüfung des Spannungsrissverhaltens an
Probekörpern aus dem Rohr (Anforderung: 3300 h) abgeleitete Quotient von 2,65
ist in den Prüfverfahren mit den angepassten Parametern für den Rohstoff
nachzuweisen.
Beispiel:
Ergibt sich bei der Prüfung des Spannungsrissverhaltens mit angepassten
Parametern an Probekörpern aus dem Rohr eine Standzeit von z.B. 160
Stunden, gilt als Anforderungswert für das Spannungsrissverhalten des
Rohstoffes 2,65 x 160 Stunden = 424 Stunden.
Lfd.
Nr.
1 Dichte
Eigenschaft Anforderung Prüfnorm
Angabe des Mindestwertes
des Grundstoffwerkstoffes
(Basisdichte)
2 Schmelzindex Angabe des MFR-Bereiches
= 945 kg/m³
(Herstellerangabe von
Nominalwert und Toleranz)
Angabe in 190°C/5kg max (0,2
bis 0,4) g/10 min
Tabelle 1b: Zusätzlicher Anforderungen an den Werkstoff PE 100-RC
(zusätzlich zur PAS 1031)
4.2 Qualitätssicherung „Werkstoff“
Die durchzuführenden Prüfungen für die Qualitätssicherung der Werkstoffe sind
in Tabelle 2 aufgeführt.
Lfd.
Nr.
1 FNCT Test
2
3
Eigenschaft Anforderung Werksseitig
Überwacht
Punktlastversuch am
Vollwandrohr
Kerbprüfung
(DIN EN ISO 13479)
>8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100 (Rohstoff);
oder in einem korrelierenden Prüfverfahren 2
8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100
8760 h
DIN EN ISO1183
DIN EN ISO1872-1
DIN EN ISO 1133
Häufigkeit
Fremdüberwacht
Jede Charge -
Tabelle 2: Spezielle ergänzende Prüfungen zur Qualitätssicherung für den
Werkstoff PE-100-RC zum Nachweis der
Spannungsrissbeständigkeit
2 Absicherung über mindestens 30 Prüfserien in 3 Dekaden, wobei die Zielgröße (z. B. 8760 Stunden) eingeschlossen sein
muss. Der Korrelationskoeffizient muss >0,9 sein. Die Mindestanforderung ist mit einem „lower confidence limit“ von 2,5%
nachzuweisen. Die Korrelation muss nach EN ISO/IEC 17025 akkreditiert sein.
4
Alle 3 Jahre,
wenn keine
Auffälligkeit
Gestaffelt,
1…3 Jahre, wenn
keine Auffälligkeit

Lfd.
Nr.
1
4.3 Prüfungen für die Erstzulassung der Rohre
Die durchzuführenden Prüfungen für die Erstzulassung der Rohre sind in
Tabelle 3 aufgeführt.
Lfd.
Nr.
1
Prüfung Anforderung Bemerkung
Prüfung des
Spannungsrissverhaltens
2 Punktlastversuch
3
Penetrationsversuch
(Simulation einer
Graugussscherbe durch
„GG2“, siehe Anhang A 4)
>3300 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100
(Proben aus Rohr)
8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100
Restwanddicke nach 9000 h
> 50 % der
Ursprungswanddicke
Tabelle 3: Prüfungen an Rohren aus Polyethylen für alternative
Verlegetechniken und Anforderungen.
4.4 Wiederholungsprüfungen der Rohre
2NCT je 3 Einzelproben an
kleinster und größter Wanddicke
+ Da 110, SDR 11 über
Rohrwandquerschnitt
3 Einzelproben z. B. bei 80 °C
bzw. Einzelproben (Da 110, SDR
11) verteilt über Temperatur
gemäß mathematischem Modell
(z.B. Arrhenius)
Prüfbedingungen nach MAC-
Konzept 4 unter Berücksichtigung
von Spannungsrissbeständigkeit
und Wärmealterung
Die durchzuführenden Wiederholungsprüfungen der Rohre sind in Tabelle 4
aufgeführt:
Prüfung Anforderung Häufigkeit Bemerkung
Spannungsrissprüfung
des
Rohres
2 Punktlastversuch
>3300 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100
oder in einem korrelierendem
Prüfverfahren 3
, z. B. 160 h im
ACT-Verfahren (Proben aus
Rohr)
8760 h bei 80 °C,
4 N/mm², 2 % Arkopal N-100
Tabelle 4: Wiederholungsprüfungen der Rohre
1 x pro Halbjahr,
jedoch mindestens pro
Fertigungsgruppe 1 x
pro Jahr
Fertigungsgruppe 1 u.
2 jährlich,
Fertigungsgruppe 3 in
3 Jahren einmal
2NCT bzw. FNCT an
3 Einzelproben
(Rohrinnenseite
Bestandteil der
Proben!)
80 °C Einzelprobe
5

5. Schlussfolgerungen
Die maßgebenden Anforderungen an Werkstoffe und Rohre werden in der
PAS 1075 für eine Mindestnutzungsdauer von 100 Jahren erstmalig
beschrieben.
Die Pas 1075 bietet dem Endanwender eine sichere Grundlage für die
Ausschreibung von alternativ zu verlegenden Rohren aus Polyethylen
(PE 100-RC).
6. Literatur
[1] Hessel, J.: PE 100-RC – Ein PE 100 mit erweitertem Anwendungspotenzial
3Rinternational (47) Heft 3-4/2008, S. 189 – 193
[2] McGoldrick, J. et al: Auf den Sprödbruch kommt es an
3Rinternational (48) Heft 3-4/2009, S. 168 – 171
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